水下生產(chǎn)系統(tǒng)

水下生產(chǎn)系統(tǒng)第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六內(nèi)容一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭2第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六概述水下生產(chǎn)系統(tǒng)英文名稱：subseaproductionsystem定義：由水下井口等整套水下生產(chǎn)設(shè)備及海底管道組成的海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)。3第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六概述海上油氣產(chǎn)業(yè)始于1947年，在路易斯安那州附近的墨西哥灣4.6米深的水域，Kerr-McGee首次成功完成世界第一個(gè)海上油井開采。水下油氣田開發(fā)的概念是在19世紀(jì)70年代初才被提出，當(dāng)時(shí)將井口、生產(chǎn)設(shè)備和其他一些氣密部件部置在海底進(jìn)行作業(yè)。水下的油氣產(chǎn)物從油井輸送到附近陸上或海洋平臺上的加工設(shè)施，這就是水下工程的開始。4第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六概述從1961年第一口水下井口在美國應(yīng)用以來，隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，水下生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用水深越來越深，到目前為止，已投產(chǎn)最深采油樹達(dá)到2714m（美國墨西哥灣IndependenceHub凝析氣田，2007年7月投產(chǎn)）；回接距離最長的氣田回接距離達(dá)到143公里（挪威北海Sn?hvit一期，水深250-345m，2007年8月21日天然氣上岸）。目前國外對于3000m水深以內(nèi)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造、安裝技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且已在西非、墨西哥灣、北海等海域經(jīng)過了大量工程項(xiàng)目的實(shí)踐檢驗(yàn)。5第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六概述生產(chǎn)系統(tǒng)

6第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭7第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六采油樹(Christmas,Xmastree)最初被稱為十字樹，X型樹或者圣誕樹，它是位于通向油井頂端開口處的一個(gè)組件，它包括用來測量和維修的閥門，安全系統(tǒng)和一系列監(jiān)視器械。它連接了來自井下的生產(chǎn)管道和出油管．同時(shí)作為油井頂端和外部環(huán)境隔絕開的重要屏障。采油樹包括許多可以用來調(diào)節(jié)或阻止所產(chǎn)原油蒸汽、天然氣和液體從井內(nèi)涌出的閥門。采油樹是通過海底管道連接到生產(chǎn)管匯系統(tǒng)。8第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六采油樹的主要功能：(1)把產(chǎn)品流體從井口引到出油管（生產(chǎn)采油樹），或把油氣注入進(jìn)地層（注入采油樹）；(2)通過一個(gè)節(jié)流器調(diào)節(jié)流體，但并不總是強(qiáng)制性的；(3)監(jiān)控采油樹上的井口參數(shù)，如壓力、環(huán)空壓力、溫度、砂石檢測等；(4)通過一個(gè)控制系統(tǒng)的閥門驅(qū)動器來安全停止生產(chǎn)或注入流體的流動；(5)在井口或出油管注入保護(hù)性液體，如防腐蝕劑或水合物抑制劑。9第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六采油樹類型采油樹主要有兩種類型：一種為傳統(tǒng)型也稱作直立型的，另一種為水平型的。水平型的采油樹從1992年以后開始普遍應(yīng)用。這兩種類型的采油樹都包括一個(gè)在鉆井后能牢固地附著在油井頂端井口構(gòu)架中的卷線筒，還包括由閥門組成的閥門組，閥門組主要用來在測試和閉井時(shí)調(diào)節(jié)出井油量。此外，油嘴對出井油量也可進(jìn)行調(diào)節(jié)。水平型采油樹由閥門放置的位置而得名，除此之外，水平采油樹的油管懸掛器是安裝在采油樹上而不是安裝在井口頭上。另外，由于水平采油樹的頂端設(shè)計(jì)使防噴器（BOP）可以直接安裝在采油樹上。目前，甚至已經(jīng)普遍認(rèn)為水平型是唯一用于海底的采油樹類型。10第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1111立式采油樹主閥配置在立式圣誕樹（VXT）管道懸掛器的上方。油井是在采油樹安裝之前就完成。VXT廣泛應(yīng)用于水下油田，這是由其安裝和操作的靈活性所決定的。11第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1212臥式水下采油樹另外一種發(fā)展很快的類型是臥式水下采油樹（HT），如下圖所示為FMC制造的臥式采油樹。12第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1313選擇準(zhǔn)則在選擇HT或VT時(shí)，需要考慮下列問題：（1）臥式采油系統(tǒng)要比立式的昂貴。臥式采油系統(tǒng)的售價(jià)是立式的5到7倍。（2）立式采油系統(tǒng)更大、更重，而這在鉆機(jī)的安裝平臺有限時(shí)必須考慮。（3）油井是否已經(jīng)完成也是選擇的另一個(gè)因素。如果油井已經(jīng)完成但是采油系統(tǒng)還沒有安裝好，那么立式的采油系統(tǒng)比較適合。但如果采用臥式的采油系統(tǒng)，系統(tǒng)必須在油井完成之前安裝好。13第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六14（4）臥式的采油系統(tǒng)常常用于有復(fù)雜油藏或經(jīng)常需要修井來維護(hù)油管的情況。相反的，立式的采油系統(tǒng)常用于簡單油藏或不需要經(jīng)常修井來維護(hù)管道的情況。（5）如果油氣田不用經(jīng)常修井，不推薦使用臥式采油系統(tǒng)。第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1515采油樹的設(shè)計(jì)海底采油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不盡相同，例如完井類型（簡單的、潛水員輔助的、不潛水的和無引導(dǎo)的），采油樹的用途（生產(chǎn)型、注入型），工作條件（H2S、CO2或H2S和CO2）等。這些因素都會影響到采油系統(tǒng)的類型、材料和部件組合的選擇。15第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1616部件設(shè)計(jì)是水下采油系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。典型部件的設(shè)計(jì)包括以下方面：（1）管道懸掛系統(tǒng)；（2）把采油樹連接到水下井口的連接器；（3）采油樹本體，在產(chǎn)品流動路徑上的鍛件，設(shè)計(jì)來承壓。環(huán)空流動路徑可能也包含在采油樹本體里；（4）為生產(chǎn)、環(huán)空孔和輔助功能而設(shè)計(jì)的采油樹閥門。采油樹閥門可采用螺栓連接或集成在采油樹本體上；16第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六（5）遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉閥門的閥門驅(qū)動器。有些可能是手動閥門，也包括深水ROV接口；（6）用于臍帶纜掛接的控制連接板；（7）控制系統(tǒng)。這包括閥門驅(qū)動器命令系統(tǒng)以及壓力和溫度傳感器。該閥門驅(qū)動器命令系統(tǒng)可以是簡單或復(fù)雜的管道系統(tǒng)，包括電腦及根據(jù)應(yīng)用選用的電磁線管；（8）節(jié)流器（可選）用于調(diào)節(jié)生產(chǎn)流速；17第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1818（9）采油樹管道，用于引導(dǎo)生產(chǎn)液體、生產(chǎn)管線和環(huán)之間的交叉布置、化學(xué)劑注入、液壓控制等；（10）支持采油樹管道及附屬設(shè)備并提供安裝和修井引導(dǎo)的采油樹框架支撐；（11）采油樹的外部保護(hù)帽用來保護(hù)采油樹連接器和采油樹本身。采油樹帽往往提供防拖網(wǎng)保護(hù)和防掉落保護(hù)。18第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1919工作條件水下采油樹的額定壓力等級是分為5000psi，10000psi和15,000psi。最近20,000psi的（138兆帕）海底采油樹已經(jīng)成功得以應(yīng)用。采油樹在服務(wù)期內(nèi)的溫度范圍是在2°C到120°C之間，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的采油樹都可以正常使用。超過這個(gè)溫度范圍，采油樹就要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。19第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2020VXT和HXT主要的不同部件：采油樹本體，采油樹本體在HXT通常設(shè)計(jì)成一個(gè)集成的四通。生產(chǎn)主閥和環(huán)形閥門一樣位于此采油樹本體。

生產(chǎn)主閥通常是在生產(chǎn)區(qū)塊設(shè)計(jì)成一個(gè)集成翼閥，可以很容易地通過法蘭方法連接到采油樹本體。此外，油管懸掛系統(tǒng)是位于采油樹本體。20第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六21油管懸掛系統(tǒng)；VXT采用了傳統(tǒng)的油管懸掛器，它有一個(gè)主要生產(chǎn)孔和一環(huán)孔。油管懸掛器位于井口。然而，在HXT中，油管懸掛器有一個(gè)單筒懸掛器，并且有一個(gè)側(cè)出口，生產(chǎn)流體將從這里傳送到生產(chǎn)主閥。采油樹帽；VXT系統(tǒng)的采油樹帽具有修井期間提供控制接口以及密封海水功能。但在HXT，有內(nèi)部采油樹帽和采油樹碎屑保護(hù)帽。第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭22第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六管匯系統(tǒng)的組成水下生產(chǎn)系統(tǒng)的管匯由管子和閥門組成，用來分配、控制管理石油和天然氣的流動。管匯安裝在海底井群之間，主要是把油或氣集合起來輸送到井口，如圖所示。從管匯終端到一些大型的結(jié)構(gòu)如水下加工系統(tǒng)都屬于管匯。因此，有許多種類型的管匯。管匯系統(tǒng)和采油井是相互獨(dú)立的，采油井和海底管道通過跨接管與管匯系統(tǒng)相連接。管匯系統(tǒng)主要由管匯主體、支撐結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)組成。23第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1、密封或連接立管系統(tǒng)2、產(chǎn)油線3、注水線4、油井測試線5、連接注水線6、連接采油樹7、連接采油樹8、清管閥24第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六管匯系統(tǒng)的主要功能：為生產(chǎn)管道、海底管道和油井之間提供一個(gè)界面；將產(chǎn)品都集合起來運(yùn)輸出去：從各個(gè)獨(dú)立的分油井中將流體都集中起來，再把產(chǎn)出的油運(yùn)輸出去，同時(shí)注入氣體，化學(xué)物質(zhì)；分配電和水壓系統(tǒng)；支持翼型管匯樞紐、管道樞紐和臍帶管樞紐；支持和保護(hù)所有的管道和閥門系統(tǒng)；在安裝和恢復(fù)過程中為管匯模塊提供一個(gè)支撐點(diǎn)；在ROV(遠(yuǎn)程作業(yè)機(jī)器人)操作過程中，給ROV提供一個(gè)支撐平臺。25第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六管匯的部件：部件主要有閥門、節(jié)流閥、與海底管道相連的轂，安裝多相儀表模塊的轂，在整個(gè)使用期內(nèi)用來操縱的水壓和電線，可獲得的節(jié)流閥模塊，水下控制模塊和多相儀表模塊。閥門：閥門的選擇主要由應(yīng)用范圍決定。門閥一般應(yīng)用于BOP組件、采油樹和管匯。球閥在水下使用中，從操作和價(jià)錢角度要優(yōu)于門閥。由于球閥目前使用非金屬的密封和涂料，使得球閥的應(yīng)用水深更深。門閥應(yīng)用尺寸要比球閥的小，球閥的應(yīng)用尺寸在10英寸或者更大的范圍。26第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六清管系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下要求：應(yīng)該能夠進(jìn)行水下安裝和使用索具吊裝。清管系統(tǒng)的管子應(yīng)該與管匯系統(tǒng)的主管標(biāo)準(zhǔn)一致。應(yīng)該有一個(gè)管子的門閥允許清管通過，這個(gè)閥門經(jīng)過水壓測試。清管循環(huán)使用的管子材料和尺寸與海底管道的主管一致。應(yīng)該有至少是普通管子直徑的5倍的彎曲半徑。應(yīng)該安裝在生產(chǎn)管匯的轂盤的內(nèi)部。暴露的清管循環(huán)元件在無特別說明的情況下應(yīng)該涂上環(huán)氧涂層。27第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六清管循環(huán)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素：1管子尺寸；2彎曲半徑；3內(nèi)部突起；4閥門種類；5清管的引擎和接收器6清管位置的確定

ManifoldPiggingLoop28第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六管子和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)所用的基礎(chǔ)是底板基礎(chǔ)、裙式基礎(chǔ)或者吸入樁，是依據(jù)土壤的條件決定。通常樁是用來錨固鉆井或者生產(chǎn)單元。底板基礎(chǔ)取決于管匯系統(tǒng)和與之相連的元件(比如跨接管)的重量。裙式基礎(chǔ)嵌入海底比底板基礎(chǔ)深的多，用來抵抗水平載荷和一部分垂直載荷。三種基礎(chǔ)的不同長徑比29第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六設(shè)計(jì)載荷永久載荷如結(jié)構(gòu)自重活荷載如安裝過程中產(chǎn)生的環(huán)境載荷如波浪和流載荷偶然載荷如掉落的物體，漁船的沖擊等土工設(shè)計(jì)參數(shù)，主要考慮以下幾方面：土壤的指標(biāo)，原地應(yīng)力和應(yīng)力歷史，不排水抗剪強(qiáng)度,排干特性，固結(jié)特性,界面強(qiáng)度和觸變性.30第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六管匯系統(tǒng)的安裝：需要仔細(xì)的計(jì)劃和合作。在操作過程中主要需要工作船、起重機(jī)船或者浮式鉆井船，聲或者電的定位設(shè)備。ManifoldInstallationfromACraneBarge通過起重機(jī)船安裝管匯31第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六通過滑輪安裝管匯32第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六懸垂的方法安裝管匯系統(tǒng)Transportationvessel

Hangoff33第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六脫離懸垂運(yùn)動

圖中說明的是通過駁船使用懸垂方法安裝管匯的過程。管匯的尺寸是：16.5m(L)x8.5m(W)x5.2m(H)，重280噸，被安裝在1900米深處。34第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭35第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六跨接管的形式在水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中，跨接管是一個(gè)短的管狀連接元件，主要用來在兩個(gè)元件（如采油樹和管匯、管匯和管匯等）之間輸送流體。除了輸送流體外，跨接管也可用來向油井注入水和氣。典型的跨接管在管子的兩頭分別有一個(gè)終端連接器，如果管子是剛性的，跨接管叫做剛性跨接管，如果管子是柔性的就叫做柔性跨接管。剛性跨接管主要有“M”和“U”兩種形式，如下圖所示。36第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六“M”型(彎曲)有效的防止渦激振動和熱膨脹現(xiàn)象的發(fā)生“M”型(彎管接頭)倒“U”型37第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管剛性跨接管的主要元件：預(yù)先彎曲的鋼管兩個(gè)連接組件，并且?guī)в型暾目苫厥盏淖鲃悠?。兩個(gè)連接器的接收器,跨接管的測量工具,制造和測試的支撐架和吊裝工具運(yùn)輸支架測試設(shè)備絕緣(ifrequired),抑制渦激振動的裝置(ifrequired)38第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管柔性跨接管的主要元件：不銹鋼內(nèi)骨架，用來抵抗外部的壓力熱塑性內(nèi)鞘,用來密封流體螺旋形環(huán)繞鋼絲,用來抵抗內(nèi)部的壓力軸向保護(hù)鋼絲,用來增強(qiáng)拉伸載荷外部聚酯鞘，用來抵抗外部環(huán)境外部的不銹鋼骨架,外部的附加的保護(hù)39第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管柔性跨接管的優(yōu)點(diǎn)：

靈活防腐耐高溫靜動態(tài)條件均可使用很好的疲勞設(shè)計(jì)壽命可清管抗坍塌性能好長度方向的規(guī)格非常簡單缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，同時(shí)對于內(nèi)壓很高的管子來說直徑比較小。40第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管通過V-CAT進(jìn)行垂直連接

垂直連接系統(tǒng)41第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管安裝連接器水平連接系統(tǒng)42第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管在設(shè)計(jì)剛性跨接管時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)：通過安裝船安裝跨接管系統(tǒng)；按照標(biāo)準(zhǔn)安裝跨接管；從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)跨接管元件獨(dú)立地安裝；分析系統(tǒng)的所有元件的可靠性，使系統(tǒng)的失效降到最小。43第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在設(shè)計(jì)剛性跨接管的元件時(shí)，應(yīng)考慮以下方面：在組裝、安裝和維護(hù)時(shí)選擇的材料應(yīng)該降低磨損和密封性的損傷通過安全、造價(jià)和可靠性分析所有的元件相同設(shè)計(jì)的跨接管的元件可互換整個(gè)系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)化元件所有的元件的設(shè)計(jì)操作都應(yīng)該在深水中進(jìn)行44第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管跨接管的設(shè)計(jì)和分析，設(shè)計(jì)載荷：

制造、組裝和測試載荷.運(yùn)輸載荷安裝跨接管系統(tǒng)在展開過程中假定內(nèi)部裝滿水靜水壓力和水壓測試載荷現(xiàn)場制作和測量的容限.熱和壓力載荷包括熱和壓力循環(huán).波浪和流載荷.海底管線的操作載荷.ROV沖擊載荷.沉降載荷45第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管柔性管的分析步驟1.材料選擇主要根據(jù)功能和內(nèi)部環(huán)境要求2.橫截面設(shè)計(jì)主要根據(jù)功能要求、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和局部的柔性分析3.系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)主要根據(jù)載荷情況和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行整體的靜態(tài)分析4.詳細(xì)的服務(wù)壽命設(shè)計(jì)主要是端頭的設(shè)計(jì)，彎曲限流器、腐蝕保護(hù)等5.安裝安裝系統(tǒng)的選擇(船、設(shè)備、方法等)整體和局部的安裝分析46第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管第一步：將跨接管置于底部

第二步：得到所需安裝形式柔性跨接管的安裝47第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六四、跨接管第三步：連接到第一個(gè)端頭第四步：連接到第二個(gè)端頭48第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭49第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六五、臍帶纜臍帶纜(umbilicals)最著名的臍帶纜制造商是Nexans、DUCO、OceaneeringMultiflex和KvaernerOilProducts，圖就是一個(gè)臍帶纜的橫截面。50第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六五、臍帶纜在進(jìn)行臍帶纜可行性分析時(shí)主要包括以下幾方面：截面的設(shè)計(jì)和尺寸;分析極端響應(yīng)，彎曲剛度尺寸、立管的干擾;確定臍帶纜的方位角、偏移角、鋪放線路;安裝順序和方法詳細(xì)說明每一部分的報(bào)價(jià);臍帶纜的輸送計(jì)劃51第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六五、臍帶纜水下控制系統(tǒng)便于閥門和節(jié)流口對水下完井和管匯的操作，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)主要有5種類型的控制系統(tǒng)，分別是：直接液壓控制;是5種控制系統(tǒng)中最簡單的形式，并且含有的元件最少。導(dǎo)向液壓控制;順序液壓控制;電液壓控制;多路電液壓控制.52第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容一、概述二、采油樹三、管匯四、跨接管五、臍帶纜六、井口頭53第53頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六六、井口頭井口頭(Wellhead)概述1作為套管裝置和其他鉆井壓力控制元件的支撐基